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理解Docker容器网络之Linux Network Namespace

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[系统(linux) 所属分类 系统(linux) | 发布者 店小二03 | 时间 2017 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

由于2016年年中调换工作的原因,对容器网络的研究中断过一段时间。随着当前项目对Kubernetes应用的深入,我感觉之前对于容器网络的粗浅理解已经不够了,容器网络成了摆在前面的“一道坎”。继续深入理解K8s网络、容器网络已经势在必行。而这篇文章就算是一个重新开始,也是对之前浅表理解的一个补充。

我还是先从 Docker 容器网络入手,虽然Docker与Kubernetes采用了不同的网络模型:K8s是 Container Network Interface, CNI 模型,而Docker则采用的是 Container Network Model, CNM 模型。而要了解Docker容器网络,理解linux Network Namespace是不可或缺的。在本文中我们将尝试理解Linux Network Namespace及相关Linux内核网络设备的概念,并手工模拟Docker容器网络模型的部分实现,包括单机容器网络中的容器与主机连通、容器间连通以及端口映射等。

一、Docker的CNM网络模型

Docker通过 libnetwork 实现了CNM网络模型。libnetwork设计doc中对CNM模型的简单诠释如下:


理解Docker容器网络之Linux Network Namespace

CNM模型有三个组件:

Sandbox(沙盒):每个沙盒包含一个容器网络栈(network stack)的配置,配置包括:容器的网口、路由表和DNS设置等。 Endpoint(端点):通过Endpoint,沙盒可以被加入到一个Network里。 Network(网络):一组能相互直接通信的Endpoints。

光看这些,我们还很难将之与现实中的Docker容器联系起来,毕竟是抽象的模型不对应到实体,总有种漂浮的赶脚。文档中又给出了CNM模型在Linux上的参考实现技术,比如:沙盒的实现可以是一个 Linux Network Namespace ;Endpoint可以是一对 VETH ;Network则可以用 Linux Bridge 或 Vxlan 实现。

这些实现技术反倒是比较接地气。之前我们在使用Docker容器时,了解过Docker是用linux network namespace实现的容器网络隔离的。使用docker时,在物理主机或虚拟机上会有一个docker0的linux bridge,brctl show时能看到 docker0上“插上了”好多veth网络设备:

# ip link show ... ... 3: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default link/ether 02:42:30:11:98:ef brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 19: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default link/ether a6:14:99:52:78:35 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 3 ... ... $ brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces ... ... docker0 8000.0242301198ef no veth4559467

模型与现实终于有点接驳了!下面我们将进一步深入对这些术语概念的理解。

二、Linux Bridge、VETH和Network Namespace

Linux Bridge ,即Linux网桥设备,是Linux提供的一种虚拟网络设备之一。其工作方式非常类似于物理的网络交换机设备。Linux Bridge可以工作在二层,也可以工作在三层,默认工作在二层。工作在二层时,可以在同一网络的不同主机间转发以太网报文;一旦你给一个Linux Bridge分配了IP地址,也就开启了该Bridge的三层工作模式。在Linux下,你可以用 iproute2 工具包或brctl命令对Linux bridge进行管理。

VETH(Virtual Ethernet )是Linux提供的另外一种特殊的网络设备,中文称为虚拟网卡接口。它总是成对出现,要创建就创建一个pair。一个Pair中的veth就像一个网络线缆的两个端点,数据从一个端点进入,必然从另外一个端点流出。每个veth都可以被赋予IP地址,并参与三层网络路由过程。

关于Linux Bridge和VETH的具体工作原理,可以参考IBM developerWorks上的这篇文章《 Linux 上的基础网络设备详解 》。

Network namespace,网络名字空间,允许你在Linux创建相互隔离的网络视图,每个网络名字空间都有独立的网络配置,比如:网络设备、路由表等。新建的网络名字空间与主机默认网络名字空间之间是隔离的。我们平时默认操作的是主机的默认网络名字空间。

概念总是抽象的,接下来我们将在一个模拟Docker容器网络的例子中看到这些Linux网络概念和网络设备到底是起到什么作用的以及是如何操作的。

三、用Network namespace模拟Docker容器网络

为了进一步了解network namespace、bridge和veth在docker容器网络中的角色和作用,我们来做一个demo:用network namespace模拟Docker容器网络,实际上Docker容器网络在linux上也是基于network namespace实现的,我们只是将其“自动化”的创建过程做成了“分解动作”,便于大家理解。

1、环境

我们在一台物理机上进行这个Demo实验。物理机安装了Ubuntu 16.04.1,内核版本:4.4.0-57-generic。Docker容器版本:

Client: Version: 1.12.1 API version: 1.24 Go version: go1.6.3 Git commit: 23cf638 Built: Thu Aug 18 05:33:38 2016 OS/Arch: linux/amd64 Server: Version: 1.12.1 API version: 1.24 Go version: go1.6.3 Git commit: 23cf638 Built: Thu Aug 18 05:33:38 2016 OS/Arch: linux/amd64

另外,环境中需安装了 iproute2 和brctl工具。

2、拓扑

我们来模拟一个拥有两个容器的容器桥接网络:


理解Docker容器网络之Linux Network Namespace

对应的用手工搭建的模拟版本拓扑如下(由于在同一台主机,模拟版本采用172.16.0.0/16网段):


理解Docker容器网络之Linux Network Namespace
3、创建步骤 a) 创建Container_ns1和Container_ns2 network namespace

默认情况下,我们在Host上看到的都是default network namespace的视图。为了模拟容器网络,我们新建两个network namespace:

sudo ip netns add Container_ns1 sudo ip netns add Container_ns2 $ sudo ip netns list Container_ns2 Container_ns1

创建的ns也可以在/var/run/netns路径下看到:

$ sudo ls /var/run/netns Container_ns1 Container_ns2

我们探索一下新创建的ns的网络空间(通过ip netns exec命令可以在特定ns的内部执行相关程序,这个exec命令是至关重要的,后续还会发挥更大作用):

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ip a 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip a 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip route

可以看到,新建的ns的网络设备只有一个loopback口,并且路由表为空。

b) 创建MyDocker0 bridge

我们在default network namespace下创建MyDocker0 linux bridge:

$ sudo brctl addbr MyDocker0 $ brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces MyDocker0 8000.000000000000 no

给MyDocker0分配ip地址并生效该设备,开启三层,为后续充当Gateway做准备:

$ sudo ip addr add 172.16.1.254/16 dev MyDocker0 $ sudo ip link set dev MyDocker0 up

启用后,我们发现default network namespace的路由配置中增加了一条路由:

$ route -n 内核 IP 路由表 目标 网关 子网掩码 标志 跃点 引用 使用 接口 0.0.0.0 10.11.36.1 0.0.0.0 UG 100 0 0 eno1 ... ... 172.16.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 MyDocker0 ... ... c) 创建VETH,连接两对network namespaces

到目前为止,default ns与Container_ns1、Container_ns2之间还没有任何瓜葛。接下来就是见证奇迹的时刻了。我们通过veth pair建立起多个ns之间的联系:

创建连接default ns与Container_ns1之间的veth pair veth1和veth1p:

$sudo ip link add veth1 type veth peer name veth1p $sudo ip -d link show ... ... 21: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 link/ether 66:6d:e7:75:3f:43 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0 veth addrgenmode eui64 22: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 link/ether 56:cd:bb:f2:10:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0 veth addrgenmode eui64 ... ...

将veth1“插到”MyDocker0这个bridge上:

$ sudo brctl addif MyDocker0 veth1 $ sudo ip link set veth1 up $ brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces MyDocker0 8000.56cdbbf2103f no veth1

将veth1p“放入”Container_ns1中:

$ sudo ip link set veth1p netns Container_ns1 $ sudo ip netns exec Container_ns1 ip a 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 21: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000 link/ether 66:6d:e7:75:3f:43 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

这时,你在default ns中将看不到veth1p这个虚拟网络设备了。按照上面拓扑,位于Container_ns1中的veth应该更名为eth0:

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ip link set veth1p name eth0 $ sudo ip netns exec Container_ns1 ip a 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 21: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000 link/ether 66:6d:e7:75:3f:43 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

将Container_ns1中的eth0生效并配置IP地址:

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ip link set eth0 up $ sudo ip netns exec Container_ns1 ip addr add 172.16.1.1/16 dev eth0

赋予IP地址后,自动生成一条直连路由:

sudo ip netns exec Container_ns1 ip route 172.16.0.0/16 dev eth0 proto kernel scope link src 172.16.1.1

现在在Container_ns1下可以ping通MyDocker0了,但由于没有其他路由,包括默认路由,ping其他地址还是不通的(比如:docker0的地址:172.17.0.1):

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ping -c 3 172.16.1.254 PING 172.16.1.254 (172.16.1.254) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 172.16.1.254: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.074 ms 64 bytes from 172.16.1.254: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.064 ms 64 bytes from 172.16.1.254: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.068 ms --- 172.16.1.254 ping statistics --- 3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1998ms rtt min/avg/max/mdev = 0.064/0.068/0.074/0.010 ms $ sudo ip netns exec Container_ns1 ping -c 3 172.17.0.1 connect: Network is unreachable

我们再给Container_ns1添加一条默认路由,让其能ping通物理主机上的其他网络设备或其他ns空间中的网络设备地址:

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ip route add default via 172.16.1.1 $ sudo ip netns exec Container_ns1 ip route default via 172.16.1.1 dev eth0 172.16.0.0/16 dev eth0 proto kernel scope link src 172.16.1.1 $ sudo ip netns exec Container_ns1 ping -c 3 172.17.0.1 PING 172.17.0.1 (172.17.0.1) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 172.17.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.068 ms 64 bytes from 172.17.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.076 ms 64 bytes from 172.17.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.069 ms --- 172.17.0.1 ping statistics --- 3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms rtt min/avg/max/mdev = 0.068/0.071/0.076/0.003 ms

不过这时候,如果想在Container_ns1中ping通物理主机之外的地址,比如:google.com,那还是不通的。为什么呢?因为ping的icmp的包的源地址没有做snat(docker是通过设置 iptables 规则实现的),导致出去的以172.16.1.1为源地址的包“有去无回”了^0^。

接下来,我们按照上述步骤,再创建连接default ns与Container_ns2之间的veth pair veth2和veth2p,由于步骤相同,这里就不列出那么多信息了,只列出关键操作:

$ sudo ip link add veth2 type veth peer name veth2p $ sudo brctl addif MyDocker0 veth2 $ sudo ip link set veth2 up $ sudo ip link set veth2p netns Container_ns2 $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip link set veth2p name eth0 $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip link set eth0 up $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip addr add 172.16.1.2/16 dev eth0 $ sudo ip netns exec Container_ns2 ip route add default via 172.16.1.2

至此,模拟创建告一段落!两个ns之间以及它们与default ns之间连通了!

$ sudo ip netns exec Container_ns2 ping -c 3 172.16.1.1 PING 172.16.1.1 (172.16.1.1) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 172.16.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.101 ms 64 bytes from 172.16.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.083 ms 64 bytes from 172.16.1.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.087 ms --- 172.16.1.1 ping statistics --- 3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1998ms rtt min/avg/max/mdev = 0.083/0.090/0.101/0.010 ms $ sudo ip netns exec Container_ns1 ping -c 3 172.16.1.2 PING 172.16.1.2 (172.16.1.2) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 172.16.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.053 ms 64 bytes from 172.16.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.092 ms 64 bytes from 172.16.1.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.089 ms --- 172.16.1.2 ping statistics --- 3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms rtt min/avg/max/mdev = 0.053/0.078/0.092/0.017 ms

当然此时两个ns之间连通,主要还是通过直连网络,实质上是MyDocker0在二层起到的作用。以在Container_ns1中ping Container_ns2的eth0地址为例:

Container_ns1此时的路由表:

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ip route default via 172.16.1.1 dev eth0 172.16.0.0/16 dev eth0 proto kernel scope link src 172.16.1.1

ping 172.16.1.2执行后,根据路由表,将首先匹配到直连网络(第二条),即无需gateway转发便可以直接将数据包送达。arp查询后(要么从arp cache中找到,要么在MyDocker0这个二层交换机中泛洪查询)获得172.16.1.2的mac地址。ip包的目的ip填写172.16.1.2,二层数据帧封包将目的mac填写为刚刚查到的mac地址,通过数据链路层发送出去。这一过程就是一个标准的二层交换机的数据报文交换过程。

而如果是在Container_ns1中ping 172.17.0.1(同主机上的docker0 bridge的地址),那么MyDocker0将在三层起到作用。即ping 172.17.0.1执行后,根据路由表,没有匹配到直连网络,只能通过default路由将数据包通过发到eth0发给172.16.1.1。虽然都是发给172.16.1.1,但这次更类似于“数据被直接发到 Bridge 上,而不是Bridge从一个端口接收(这块儿与我之前的文章中的理解稍有差异)”。二层的目的mac地址填写的是gateway 172.16.1.1自己的mac地址(Bridge的mac地址),此时的MyDocker0更像是一块普通网卡的角色。MyDocker0收到数据包后,发现并非是发给自己的ip包,通过主机路由表找到直连链路路由,MyDocker0将数据包Forward到docker0上(封装的二层数据包的目的MAC地址为docker0的mac地址)。此时的docker0也是一种“网卡”的角色。

现在,你应该大致了解docker engine在创建单机容器网络时都在背后做了哪些手脚了吧(当然,这里只是简单模拟,docker实际做的要比这复杂许多)。

四、基于userland proxy的容器端口映射的模拟

端口映射让位于容器中的service可以将服务范围扩展到主机之外,比如:一个运行于container中的nginx可以通过宿主机的9091端口对外提供http server服务:

$ sudo docker run -d -p 9091:80 nginx:latest 8eef60e3d7b48140c20b11424ee8931be25bc47b5233aa42550efabd5730ac2f $ curl 10.11.36.15:9091 <!DOCTYPE html> <html> <head> <title>Welcome to nginx!</title> <style> body { width: 35em; margin: 0 auto; font-family: Tahoma, Verdana, Arial, sans-serif; } </style> </head> <body> <h1>Welcome to nginx!</h1> <p>If you see this page, the nginx web server is successfully installed and working. Further configuration is required.</p> <p>For online documentation and support please refer to <a href="http://nginx.org/">nginx.org</a>.<br/> Commercial support is available at <a href="http://nginx.com/">nginx.com</a>.</p> <p><em>Thank you for using nginx.</em></p> </body> </html>

容器的端口映射实际是通过docker engine的docker proxy功能实现的。默认情况下,docker engine(截至docker 1.12.1版本)采用userland proxy( userland-proxy=true)为每个expose端口的容器启动一个proxy实例来做端口流量转发:

$ ps -ef|grep docker-proxy root 26246 6228 0 16:18 ? 00:00:00 /usr/bin/docker-proxy -proto tcp -host-ip 0.0.0.0 -host-port 9091 -container-ip 172.17.0.2 -container-port 80

docker-proxy实际上就是在default ns和container ns之间转发流量而已。我们完全可以模拟这一过程。

我们创建一个fileserver demo:

//testfileserver.go package main import "net/http" func main() { http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.Dir("."))) }

我们在Container_ns1下启动这个Fileserver service:

$ sudo ip netns exec Container_ns1 ./testfileserver $ sudo ip netns exec Container_ns1 lsof -i tcp:8080 COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME testfiles 3605 root 3u IPv4 297022 0t0 TCP *:http-alt (LISTEN)

可以看到在Container_ns1下面,8080已经被testfileserver监听,不过在default ns下,8080端口依旧是avaiable的。

接下来,我们在default ns下创建一个简易的proxy:

//proxy.go ... ... var ( host string port string container string containerport string ) func main() { flag.StringVar(&host, "host", "0.0.0.0", "host addr") flag.StringVar(&port, "port", "", "host port") flag.StringVar(&container, "container", "", "container addr") flag.StringVar(&containerport, "containerport", "8080", "container port") flag.Parse() fmt.Printf("%s\n%s\n%s\n%s", host, port, container, containerport) ln, err := net.Listen("tcp", host+":"+port) if err != nil { // handle error log.Println("listen error:", err) return } log.Println("listen ok") for { conn, err := ln.Accept() if err != nil { // handle error log.Println("accept error:", err) continue } log.Println("accept conn", conn) go handleConnection(conn) } } func handleConnection(conn net.Conn) { cli, err := net.Dial("tcp", container+":"+containerport) if err != nil { log.Println("dial error:", err) return } log.Println("dial ", container+":"+containerport, " ok") go io.Copy(conn, cli) _, err = io.Copy(cli, conn) fmt.Println("communication over: error:", err) }

在default ns下执行:

./proxy -host 0.0.0.0 -port 9090 -container 172.16.1.1 -containerport 8080 0.0.0.0 9090 172.16.1.1 80802017/01/11 17:26:10 listen ok

我们http get一下宿主机的9090端口:

$curl 10.11.36.15:9090 <pre> <a href="proxy">proxy</a> <a href="proxy.go">proxy.go</a> <a href="testfileserver">testfileserver</a> <a href="testfileserver.go">testfileserver.go</a> </pre>

成功获得file list!

proxy的输出日志:

2017/01/11 17:26:16 accept conn &{{0xc4200560e0}} 2017/01/11 17:26:16 dial 172.16.1.1:8080 ok communication over: error:<nil>

由于每个做端口映射的Container都要启动至少一个docker proxy与之配合,一旦运行的container增多,那么docker proxy对资源的消耗将是大大的。因此docker engine在docker 1.6之后(好像是这个版本)提供了基于iptables的端口映射机制,无需再启动docker proxy process了。我们只需修改一下docker engine的启动配置即可:

在使用systemd init system的系统中如果为docker engine配置 userland-proxy=false,可以参考《当Docker遇到systemd》这篇文章。

由于这个与network namespace关系不大,后续单独理解^0^。

六、参考资料

1、《 Docker networking cookbook 》

2、《 Docker cookbook 》

2017,bigwhite. 版权所有.

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